雅康高速公路二郎山隧道巖爆及大變形研究

(四川城市職業(yè)學(xué)院 四川 成都 610100)

前言

現(xiàn)階段，“深埋特長隧道”的概念已經(jīng)被廣泛使用，成為衡量隧道工程建設(shè)難度的一個定性表述。自上世紀80年代以來，我國相繼建造了眾多深埋特長隧道，如秦嶺終南山隧道埋深1600米左右，雅康高速二郎山隧道最大埋深在1500m左右。隧道埋深越大，相對的初始地應(yīng)力也會隨之增大，巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力、應(yīng)變、破壞機理也會變得更加復(fù)雜。在深埋特長隧道中往往事故風(fēng)險更大，如硬巖巖爆、軟巖塑性大變形、涌水、拱頂坍塌等。

一、工程背景

二郎山公路隧道是雅安～康定高速公路的重點控制性工程之一，地處四川盆地西南方向雅安市天全縣與川西高原甘孜州瀘定縣交界地帶的二郎山中～高山區(qū)，穿越雅安市天全縣境內(nèi)的青衣江和甘孜地區(qū)瀘定縣境內(nèi)大渡河間的二郎山。

隧道左線長度約13.459km，進口位于天全縣兩路口鄉(xiāng)的長河壩村，出口位于瀘定縣五里溝的堡子上村。

二、二郎山隧道巖爆研究

(一)巖爆產(chǎn)生因素

根據(jù)相關(guān)的研究表明，圍巖巖爆的主要會受到兩類因素的控制，一個方面是隧道軸線穿越地區(qū)的最大地應(yīng)力量級與分布特征。另一個方面為隧道施工過程中對圍巖的擾動對于巖體地應(yīng)力的影響。由此可見，施工方法與地應(yīng)力水平是影響巖爆發(fā)生與量級的重要因素。因此，現(xiàn)有的巖爆預(yù)測和評價方法主要是建立在對隧道圍巖的應(yīng)力分析上。

(二)巖爆判定方法

1.強度應(yīng)力比判定方法。水力發(fā)電規(guī)范推薦利用圍巖強度應(yīng)力比Rb/σ1的大小進行巖爆等級的判別。

2.地質(zhì)分析預(yù)測。巖爆的產(chǎn)生具有一定的規(guī)律性，會在一定的條件下發(fā)生，如初始地應(yīng)力水平、圍巖的巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文等。因此，可能利用這些條件，對巖爆的發(fā)生進行預(yù)測和量級評定。以巖爆定性分級標(biāo)準(zhǔn)對二郎山隧道巖爆進行分段地質(zhì)綜合分析，二郎山隧道東段(沉積巖段)以無巖爆為主，中段局部存在輕微巖爆，隧道西段(巖漿巖段)存在輕微～強烈?guī)r爆。

采用強度應(yīng)力比法對雅康高速二郎山隧道巖爆進行分析預(yù)測，最大主應(yīng)力取自二郎山隧道地應(yīng)力反演結(jié)果，按地層代表性巖石強度進行分段計算強度應(yīng)力比。

(三)圍巖巖爆判定結(jié)果

對二郎山隧道兩種方法巖爆預(yù)測結(jié)果進行分析對比，可見強度應(yīng)力比法得到的巖爆預(yù)測結(jié)果中的巖爆等級要略高于地質(zhì)綜合分析預(yù)測結(jié)果。究其原因，強度應(yīng)力比法僅僅在考慮地應(yīng)力水平與圍巖的強度方面進行考慮，而沒有對所處地質(zhì)條件諸如圍巖的完整性、地下水等因素對于巖爆的減弱的效應(yīng)進行考慮，因而預(yù)測等級較高。因此，現(xiàn)階段巖爆綜合預(yù)測以地質(zhì)綜合分析預(yù)測為主，強度應(yīng)力比預(yù)測為輔。綜合統(tǒng)計無巖爆段長10878m，占隧道總長的79.7%；輕微巖爆段長1490m，占隧道總長的11.1%；中等巖爆段長883m，占隧道總長的6.5%；強烈?guī)r爆段長358m，占隧道總長的2.7%

三、二郎山隧道大變形研究

(一)大變形產(chǎn)生條件

圍巖中的軟巖地區(qū)產(chǎn)生塑性大變形最為主要因素是圍巖物理力學(xué)性質(zhì)，其中包括圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)特征等，其次為圍巖所處的地質(zhì)條件包括初始地應(yīng)力的大小、地下水的發(fā)育分布情況等，最后開挖后對圍巖的支護情況也會影響圍巖大變形的發(fā)生。圍巖巖體的巖性特征、巖體結(jié)構(gòu)特征是圍巖大變形的物質(zhì)基礎(chǔ)，圍巖地應(yīng)力環(huán)境和圍巖的低圍壓狀態(tài)(圍巖應(yīng)力)和高應(yīng)力差、巖體中地下水滲流以及有地?zé)釛l件下圍巖開挖后溫度差的影響是大變形的環(huán)境條件。

(二)大變形判定方法

1.地質(zhì)綜合判定：采用工程地質(zhì)綜合分析法對圍巖大變形進行預(yù)測重點從地應(yīng)力條件、巖石強度、地質(zhì)構(gòu)造影響程度、地下水發(fā)育特征、圍巖級別等幾方面進行分析，二郎山大變形地質(zhì)分級判別標(biāo)準(zhǔn)如表3-1。

2.應(yīng)力比臨界值法預(yù)測：一般在隧道圍巖單軸抗壓強度小于5MPa的極軟巖地層才會發(fā)生塑性大變形。而二郎山隧道穿越地層O2b、O3、D2g、S2s、S2l2、S2l1中的泥巖以及斷裂破碎帶的單軸抗壓強度都大于5Mpa，但在強烈的地質(zhì)構(gòu)造作用下，層間多產(chǎn)生劈理化泥化夾層，或薄層泥巖直接劈理化呈薄片狀，抗壓強度極低，屬極軟巖，甚至泥化，具有發(fā)生大變形的可能。以應(yīng)力強度比為指標(biāo)對二郎山隧道大變形等級進行了劃分。

表3-1 二郎山隧道大變形判別地質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)

(三)圍巖大變形判定結(jié)果

對擬建二郎山隧道兩種大變形預(yù)測結(jié)果進行分析對比，并以地質(zhì)綜合分析預(yù)測為主，應(yīng)力強度比預(yù)測為輔。綜合統(tǒng)計無大變形段長12304m，占隧道總長的91.4%；輕微大變形段長705m，占隧道總長的5.2%；中等大變形段長250m，占隧道總長的1.9%；強烈大變形段長200m，占隧道總長的1.5%。

四、總結(jié)

本文主要對二郎山隧道圍巖的巖爆與大變形進行研究，結(jié)合地質(zhì)分析法與強度應(yīng)力臨界法預(yù)測隧道主軸區(qū)域的巖爆與大變形情況，得到了以下結(jié)論：

(1)二郎山隧道不發(fā)生巖爆區(qū)域占隧道總長的79.7%，發(fā)生巖爆區(qū)域占到了21.3%。巖爆等級以輕微巖爆為主，部分段落存在中等及強烈?guī)r爆。

(2)二郎山隧道不發(fā)生大變形的區(qū)域占到隧道總長的91.4%，發(fā)生大變形區(qū)域僅僅占到8.6%，且多為輕微大變形，少數(shù)局部地區(qū)中等強烈大變形。